O Circuito Integrado 4017
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O Circuito Integrado 4017 - Newton C. Braga
práticos.
A Família CMOS de Circuitos Integrados
As explicações seguintes são do nosso livro Curso de Eletrônica Digital – Vol 1 – Lição 4. Assim, se o leitor já as estudou naquele livro não precisará estudar novamente aqui essas informações, mas julgamos interessante colocá-las novamente aqui, para facilitar consultas sobre as características desses componentes.
O circuito integrado 4017 pertence à família CMOS de circuitos integrados.
Assim, para entender melhor como podemos usá-lo será interessante, antes de dar uma olhada especificamente no 4017, conhecer sua família. CMOS significa Complementary Metal-Oxide Semiconductor
, sigla que corresponde a um tipo de tecnologia que utiliza transistores de efeito de campo, ou field effect transistor
(FET), em lugar dos transistores bipolares comuns (como nos circuitos TTL), para elaboração dos circuitos integrados digitais.
Existem vantagens e desvantagens no uso de transistores de efeito de campo, mas os fabricantes, com o desenvolvimento de novas tecnologias de fabricação, conseguem pouco a pouco eliminar as diferenças que existem entre as duas famílias, aumentando ainda mais as suas velocidades e reduzindo seu consumo de energia.
De uma forma geral, podemos dizer que existem aplicações em que é muito mais vantajoso usar circuitos integrados TTL e aplicações em que é melhor usar circuitos integrados CMOS.
Da mesma forma que podemos elaborar funções lógicas básicas usando transistores bipolares comuns, também podemos fazer o mesmo tomando por base nos transistores de efeito de campo MOS. A tecnologia CMOS (Complementary MOS) permite que os dispositivos tenham características excelentes para aplicações digitais.
Complementary MOS significa que em cada função temos configurações em que transistores de canal N e de canal P são usados ao mesmo tempo, ou seja, usamos pares complementares conforme mostra o diagrama do inversor lógico mostrado na figura 1. (O C de complementar significa o uso dos dois tipos de transistores)
Figura 1 – Um inversor CMOS
Conforme sabemos de nosso Curso de Eletrônica – Eletrônica Analógica, a polaridade da tensão que controla a corrente principal nos transistores de efeito de campo MOS depende justamente do tipo de material usado no canal, que pode ser tanto do tipo P quando do tipo N.
Assim, se levarmos em conta que nos circuitos digitais temos dois níveis de sinal possíveis podemos perceber que, dependendo do nível deste sinal aplicado à comporta dos dois transistores ao mesmo tempo, quando um deles estiver polarizado no sentido de conduzir plenamente a corrente (saturado), o outro estará obrigatoriamente polarizado no sentido de cortar esta corrente (corte).
No circuito indicado na figura 1, quando a entrada A estiver no nível baixo (0), o transistor Q2 conduz enquanto que Q1 permanece no corte. Isso significa que Vdd que é a tensão de alimentação positiva é colocada na saída o que corresponde ao nível alto ou 1.
Por outro lado, quando na entrada aplicamos o nível alto, que corresponde ao Vdd (tensão de alimentação), é o transistor Q1 que conduz e, com isso, o nível baixo ou 0 V (também indicado por Vss)‚ que será colocado na saída.
Conforme sabemos, essas características correspondem justamente a função inversora.
Um inversor CMOS é, portanto, uma configuração muito simples de se implementar, pois usa apenas dois transistores complementares.
A partir dessa configuração, uma grande quantidade de funções pode ser implementada com base em transistores CMOS.
Consumo e velocidade
Analisando o circuito inversor tomado como base para nossas explicações, vemos que ele apresenta duas características importantes.
A primeira é que sempre um dos transistores estará cortado, qualquer que seja o sinal de entrada (alto ou baixo), o que significa que praticamente não circula corrente alguma entre o Vdd e o ponto de terra (0 V). A única corrente que circulará é eventualmente de um circuito externo excitado pela saída, conforme mostra a figura 2.
Figura 2 – A única corrente é a que passa pelo circuito externo
Isso significa um consumo extremamente baixo para este par de transistores em condições normais, já que na entrada do bloco seguinte, que também será um circuito CMOS, teremos uma impedância elevadíssima e praticamente nenhuma corrente circula. Este consumo é da ordem de apenas 10 nW (nW = nanowatt = 0,000 000 001 watt).
A corrente maior circula justamente no momento em que os transistores comutam, pois conforme vimos para excitar a etapa seguinte que é a entrada de um CMOS, deve ser carregado o capacitor que corresponde ao eletrodo de comporta, conforme explicaremos em detalhes mais adiante.
É fácil perceber que, se integrarmos 1 milhão de funções destas num circuito integrado, ele vai consumir apenas 1 mW! É claro que na prática temos fatores que tornam maior este consumo como, por exemplo, eventuais fugas, a necessidade de um ou outro componente especial de excitação que exija maior corrente, e a própria velocidade de operação que determina a velocidade com que o capacitor virtual de entrada deve ser carregado e descarregado. Conforme vimos, ao lado das boas características ele também tem seus problemas, e justamente um deles está no fato de que o eletrodo de controle (comporta) que é uma placa de metal fixada no material semicondutor e isolada por uma camada de óxido, que funciona como a armadura ou placa de um capacitor, conforme mostra a figura 3.
Figura 3 – Um transistor MOS se comporta como um capacitor
Isso significa que, ao aplicarmos um sinal de controle a uma função deste tipo, a tensão não sobe imediatamente até o valor desejado, mas precisa de certo tempo, tempo necessário para carregar o capacitor
representado pelo eletrodo de comporta. Se bem que o eletrodo tenha dimensões extremamente pequenas, se levarmos em conta as impedâncias envolvidas no processo de carga e também a própria disponibilidade de corrente dos circuitos excitadores, o tempo envolvido no processo não é desprezível e certo atraso na propagação do sinal ocorre. O atraso nada mais é do que a diferença de tempo entre o instante em que aplicamos o sinal na entrada e o instante em que obtemos um sinal na saída.
Nos circuitos integrados CMOS típicos como os usados nas aplicações digitais, para um inversor como o tomado como exemplo, este atraso é da ordem de 3 nanossegundos (3 ns).
Isso pode parecer pouco nas aplicações comuns, mas se um sinal tiver de passar por centenas de portas antes de chegar a certo ponto em que ele seja necessário, a soma dos atrasos pode causar diversos problemas de funcionamento, se não for prevista.
Veja, entretanto ainda, que a carga de um capacitor num circuito de tempo, como o mostrado na figura 4 até um determinado nível de tensão depende também da tensão de alimentação.
Figura 4- Carga do capacitor em função da tensão
Assim, com mais tensão a carga é mais rápida e isso nos leva a uma característica muito importante dos circuitos CMOS digitais que deve ser levada em conta em qualquer aplicação: com maior tensão de alimentação os circuitos integrados CMOS são mais rápidos.
Desta forma, enquanto que nos manuais de circuitos integrados TTL encontramos uma velocidade máxima única de operação para cada componente da família (mesmo porque sua tensão de alimentação é fixa de 5 volts), nos manuais CMOS encontramos as velocidades associadas às tensões de alimentação (já que os circuitos integrados CMOS podem ser alimentados por uma ampla faixa de tensões). Um exemplo de disso pode ser observado nas características de um circuito integrado CMOS formado por seis inversores (hex inverters) onde temos as seguintes frequências máximas de operação:
Obs: depois analisaremos em pormenores as características do 4017.
4049 - Seis inversores
O circuito integrado CMOS 4049 é formado por seis inversores, com a pinagem do invólucro DIL de 14